FPGA在工业控制领域中的应用.pdf

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1、FPGA在工业控制领域中的应用学院：工学院专业：自动化姓名：白曙睿FPGA在工业控制领域中的应用摘要：本文主要介绍现场可编程门阵列（FPGA）技术及其在工业控制领域的贡献。首先介绍FPGA在各个领域的一些有意义的应用。随后介绍相应的设计工具及装置功能。以下两个例子说明在复杂控制应用的情况下使用FPGA的好处：一是通过处理一个基于扩展卡尔曼滤波的无传感器电动机控制器，这种专用的设计方法使其得到进一步发展；其二是神经网络系统。一些案例研究的结果显示研究人员对于FPGA在这一领域充满兴趣。关键词现场可编程门阵列，工业控制应用程序，系统芯片，设计工具，设计方法，无传感器电机控制器，扩展卡尔曼滤波

2、，神经网络系统Ⅰ介绍现如今，为了保证市场的生产差异，新的工业控制系统需要具备高性能，高灵活度，高可靠性。与此同时，成本是一个关键问题。为了解决这个问题，必须缩短上市时间，降低控制器设备的价格以及减少控制系统的能源消耗。然而，降低成本更具有挑战性，因为新的工业控制系统必须基于日益复杂的控制算法，这就需要大量的计算资源，并且减少执行时间。为了应对这些挑战，设计人员可以依靠越来越成熟的数字电子技术，以及友好的软件开发工具。为了实现高效的实时工业控制，设计人员需要在两个主要的数字设备技术系列中作出选择:第一个系列是基于纯软件平台。相关的设备是微控制器和数字信号处理控制器（DSP控制器）。这些部件

3、集成了一个执行微处理器的核心和实时目标控制系统来进行工业环境通信所必需的若干外设。微控制器[1]和DSP控制器[2]之间的不同在于，对于一个给定的硅表面，处理单元和通信以及外设之间的比例。微控制器包括一个通用16位或32位的精简指令集计算机(RISC)和多种外设，而DSP控制器集成了一个高性能处理器内核，基于硬件加速器的计算模块(乘法和累加逻辑运算单元MACALU)和一些外围设备。然而，这两个概念之间的界限正在消失，因为微控制器的RISC单元越来越强大，外设的数量和种类越来越多。此方法的主要优点是技术成熟，有高质量的相关开发工具和低廉的价格。主要局限是难以利用控制算法所提供的潜在并行性进

4、行实践并得出结果。因此，在流量和可用带宽方面造成了性能的限制。实现工业控制系统的可用数字设备的替代系列是现场可编程门阵列（FPGAs）[3]。这些设备由预先设计的基本单元和布线组成，完全由终端用户编程，组建特定的硬件架构和最终目标应用程序相匹配。各种各样的FPGA控制器的设计是大工程。正如在第二部分所示，当前的FPGA允许高效的32位RISC处理器的实现。因此，FPGA可以首先视为可编程微控制器，设计人员可以结合一个或若干个具有专用外设的RISC处理器和计算机硬件加速器。从这个角度来看，由于其密度不断增加，现代的FPGA可以被视为真正的系统级芯片（SoC）的数字平台。另一方面，设计人员还

5、可以为了在性能方面严格应用设计纯特定硬件架构。因此，由于这种方法以及大规模并行处理的实现，使设计和控制回路实现实时采样频率高于1MHz现在成为了可能。像微控制器DSP一样，FPGA也是在八十年代出现的，现在是一项成熟的技术。FPGA设计工具也很友好。正如前面所提到的，FPGA适用于需要高速运行的应用程序。事实上，设计人员可以开发出一个专用于控制算法实现的一个完全硬件架构。因此，通过保护算法的潜在并行性，由此产生的硬件架构允许匹配预期的处理速度标准。这项技术的主要限制是成本。FPGA和DSP和单片机相比更加昂贵，虽然这种说法已被修正。事实上，FPGA可以比一个单片机更贵，而不是每个实施函数

6、的成本。另一个缺点是关于当前的FPGA混合模拟/数字外设，如A/D和D/A转换器的整合困难。再一次，这种限制也包括FPGA市场上集成A/D转换器近期的消失[4]。最近，一个特殊领域致力于使用FPGA控制工业控制系统[5]-[6]的成功，已经证明了研究界对这项技术的极大兴趣。事实上随着FPGA密度的不断增加以及自身的高度灵活性促使设计人员用他们控制大范围的工业应用。A基于FPGA控制器的嵌入式工业和机器人应用汽车和飞机的嵌入式系统是数字电子非常具有挑战性的应用[7]。对于这些系统，安全是最重要的。因此，在文献[8]-[9]的作者已经提出了几种技术来解决这个问题，并提高了基于FPGA控制器的

7、可靠性。安全的另一个方面是汽车制造商和供应商应对关键的嵌入式系统的退化的可能性。电子设备现在有一个非常有限的生命时间，并且仍然发现，当他们不再可用时，在市场上基于FPGA的安全知识产权（IP）模块强制性地取代他们[10]。对于基于FPGA的嵌入式控制器中的模块化架构目前的趋势使得设计师通过使用复杂的加密技术[11]，以加强知识产权。汽车和飞机嵌入式系统的另一个关注点是为车载网络如FlexRay或SpW设计和实现实时高数据速率和可靠的